一种高流速下的超疏水表面减阻性能测试装置

摘要

本发明公开了一种高流速下的超疏水表面减阻性能测试装置，包括通过管路依次首尾连接的离心泵1、套管式测试流道和双水箱液位控制系统，套管式测试流道还连接计算机接收系统。该装置易于内芯模型的更换、检修、超疏水材料喷涂及清洗；本发明缩短超疏水表面减阻性能检测的总操作时间，节约时间；本发明维持液位高度的相对稳定，减少离心泵入口流体流动扰动的影响，提高测试数据的精准度。

说明书

技术领域

本发明属于表面减阻性能测试技术领域，涉及一种高流速下的超疏水表面减阻性能测试装置。

背景技术

超疏水材料表面因其优秀的自清洁、防腐蚀、防冰和减阻性能，在海洋减阻领域具有良好的应用前景。在流体流动过程中，由于其自身粘性会与周围界面存在阻力。且流速与阻力呈正相关的关系，流速越大，阻力也越大。将超疏水材料应用于海洋领域，经常会处于高流速的工作环境。因此，测试超疏水材料在高流速下的减阻性能具有重要意义。

超疏水材料减阻性能的研究主要从理论分析、数值模拟和测试实验等方面展开。目前减阻性能测试实验主要有水洞实验、水下拖曳实验、管道减阻实验、小型水槽模拟实验。目前，现有实验测试方法存在以下局限性：

(1)当前的水洞实验、水下拖曳实验工作段水速0-18m/s，但其实验室建设费大，测试费用高、操作及日常维护相对复杂；

(2)实验室用管道减阻实验，测试模型不能实现在装置开机情况下的快速更换，测试高流速相对较低；

(3)实验室用小型水槽模拟实验，因其平面过小、流速较低、数值误差较大，不适用于高流速的测试条件。

发明内容

本发明的目的是提供一种高流速下的超疏水表面减阻性能测试装置，解决了现有技术中存在的实验成本高以及实验结果不准确的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种高流速下的超疏水表面减阻性能测试装置，其特征在于，包括通过管路依次首尾连接的离心泵1、套管式测试流道和双水箱液位控制系统，套管式测试流道还连接计算机接收系统。

本发明的特点还在于：

套管式测试流道包括涡轮流量计，涡轮流量计一端连接离心泵一端，另一端连接测试管路主体一端，测试管路主体另一端连接双水箱液位控制系统，离心泵和涡轮流量计之间的管路上设有节流阀，涡轮流量计与测试管路主体之间的管路上设有第一阀门，测试管路主体与双水箱液位控制系统之间的管路上依次设有第二阀门和第四阀门。

测试管路主体包括外管，外管内部设有内芯模型，内芯模型为两端封闭的空心管件，测试管路主体与涡轮流量计连接一端设有流体进口，另一端设有流体出口，流体进口和流体出口均通过管路接口与测试管路主体连接，外管顶部设有第一测压孔和第二测压孔，第一测压孔和第二测压孔上均设有压力传感器。

还包括旁路管路，旁路管路与第一阀门、测试管路主体5和第二阀门形成的管路并联，旁路管路包括分流管以及设置于分流管上的第三阀门。

双水箱液位控制系统包括一端与离心泵另一端连接的主水箱，主水箱另一端连接副水箱，离心泵与主水箱之间的管路上设有第六阀门，主水箱与副水箱之间的管路上设有第五阀门，主水箱还连接排水管，排水管上设有排水阀。

主水箱和副水箱上均设有温度计。

计算机接收系统包括与套管式测试流道连接的仪表柜，仪表柜连接显示器终端。

外管材质为80％透明PVE管，内芯模型材质为不锈钢、铝合金、陶瓷或玻璃。

第一测压孔和第二测压孔分别设置于外管顶部距离流体进口和流体出口1/6的外管管长的位置。

本发明的有益效果是：本发明的装置易于内芯模型的更换、检修、超疏水材料喷涂及清洗；本发明缩短超疏水表面减阻性能检测的总操作时间，节约时间；本发明维持液位高度的相对稳定，减少离心泵入口流体流动扰动的影响，提高测试数据的精准度。

附图说明

图1是本发明一种高流速下的超疏水表面减阻性能测试装置的结构示意图；

图2是本发明一种高流速下的超疏水表面减阻性能测试装置的管路主体的结构示意图及剖面图。

图中，1.离心泵，2.节流阀，3.涡轮流量计，4.第一阀门，5.测试管路主体，6.第二阀门，7.第三阀门，8.第四阀门，9.副水箱，10.第五阀门，11.排水阀，12.主水箱，13.第六阀门，14.温度计，15.仪表柜，16.显示器终端，17.流体进口，18.管路接口，19.第一测压孔，20.流体，21.内芯模型，22.第二测压孔，23.流体出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种高流速下的超疏水表面减阻性能测试装置，如图1-2所示，包括通过管路依次首尾连接的离心泵1、套管式测试流道和双水箱液位控制系统，套管式测试流道还连接计算机接收系统，套管式测试流道包括涡轮流量计3，涡轮流量计3一端连接离心泵1一端，另一端连接测试管路主体5一端，测试管路主体5另一端连接双水箱液位控制系统，离心泵1和涡轮流量计3之间的管路上设有节流阀2，涡轮流量计3与测试管路主体5之间的管路上设有第一阀门4，测试管路主体5与双水箱液位控制系统之间的管路上依次设有第二阀门6和第四阀门8，测试管路主体5包括外管，外管内部设有内芯模型21，外管内表面与内芯模型外表面之间为高速流体20的通道，内芯模型21为两端封闭的空心管件，测试管路主体5与涡轮流量计3连接一端设有流体进口17，另一端设有流体出口23，流体进口17和流体出口23均通过管路接口18与测试管路主体5连接，外管顶部设有第一测压孔19和第二测压孔22，第一测压孔19和第二测压孔22上均设有压力传感器，通过压力传感器将数据导入计算机16，还包括旁路管路，旁路管路与第一阀门4、测试管路主体5和第二阀门6形成的管路并联，旁路管路包括分流管以及设置于分流管上的第三阀门7，工作状态下第三阀门7关闭，第一阀门4和第二阀门6打开，水流通过测试管路主体5，更换内芯模型21时，打开第三阀门7，关闭第一阀门4和第二阀门6，实现被测内芯模型的快速更换，缩短超疏水表面减阻性能检测的总操作时间，双水箱液位控制系统包括一端与离心泵1另一端连接的主水箱12，主水箱12另一端连接副水箱9，离心泵1与主水箱12之间的管路上设有第六阀门13，主水箱12与副水箱9之间的管路上设有第五阀门10，主水箱12还连接排水管，排水管上设有排水阀11，主水箱12和副水箱9上均设有温度计14，双水箱液位控制系统基于连通器原理，维持液位高度的相对稳定，减少离心泵入口流体流动的影响，提高测试数据的精准度，温度计实时记录液体温度，显示精读达0.1℃，计算机接收系统包括与套管式测试流道连接的仪表柜15，仪表柜15连接显示器终端16，压差数据及流量数据信号输入显示器终端，可实现压力及流量实时检测，外管材质为80％透明PVE管，外管两端设有带内螺纹的塑料接头，内芯模型21为两端封闭的空心管件，材质为不锈钢、铝合金、陶瓷或玻璃，在两端各设一个支架，支架处于内芯模型外侧，采用60°夹角三支点结构设计，将外管和内芯模型进行装配，组成套管式测试流道，当外管内径r

采用套管式的测试流道设计，外管和内芯模型进行装配，组成套管式测试流道，测试时流体线速度增大为同等流量下的1.33～2.78倍，而且内心模型表明减阻材料喷涂与去除方便；基于套管式测试流道的旁路管路设计，在开机条件下实现被测内芯模型快速更换，双水箱易于加快测试过程达到稳定、测试结果精确。

装置总体上是基于管道压差来体现减阻率。考虑了装置的适用情况及改进情况，将其设计成套管式的测试流道。为满足高流速，便捷更换性及水流稳定性。采用套管式测试流道的旁路设计及采用套管式测试流道的旁路设计。其原理如下：

本发明装置总体上是基于管道压差来体现减阻率，考虑了装置的适用情况及改进情况，将其设计成套管式的测试流道，为满足高流速，便捷更换性及水流稳定性，采用套管式测试流道的旁路设计及采用套管式测试流道的旁路设计，其原理具体如下：

(1)测试流道设计原理

套管式的测试流道设计依据以下原理，在一定程度上减少流道外管和内芯模型截面积，来提升同等流量下的流体线速度，当外管内径r1:内芯模型外径r2的范围在2:1至5:4之间时，根据公式(1)(2)可得，流道截面积约减小1/4至16/25，线速度增大1.33至2.78倍。

其中V为流速，Q为流量，A为管道横截面积；

(2)测试流道的旁路设计及液位控制原理

采用旁路设计，关闭第一阀门及第二阀门，打开第三阀门，实现被测内芯模型的快速更换，依据连通器的基本原理进行双水箱液位控制设计；

(3)利用达西公式(3)和伯努利方程(4)可以推算出摩擦系数λ和压差ΔP之间的关系，从而计算超疏水表面的减阻率；减阻率计算公式如公式(5)所示：

本发明的装置具体操作实施步骤如下：

步骤一：检查装置的密闭性，管路是否有裂痕，检查计算机能否正常工作，检查主副水箱中是否装有2/3体积的水；

步骤二：将各部件按图1所示依序安装；将未经超疏水表面处理的待测内芯模型放入测试管道中，保证管路主体保持在水平状态下；

步骤三：启动装置，打开离心泵1，打开第六阀门13及节流阀2；

步骤四：将流量数据及压差数据传输至计算机接收系统，调节节流阀2使达到预期的流量并保证流体处于相对稳定的状态，同时记录下流量数据及压差数据；

步骤五：打开第三阀门7，关闭第一阀门4及第二阀门6，取下测试管路；将附着超疏水材料的被测内芯模型放入测试管道中并安装，打开第一阀门4和第二阀门6，关闭第三阀门7，调节节流阀2使达到预期的流量并保证流体处于相对稳定的状态，记录下流量数据及压差数据；根据公式(6)推算出减阻率：

步骤六：结束实验，关闭离心泵1，排尽管道内液体，关闭第六阀门13和节流阀2，完成实验。

本发明一种高流速下的超疏水表面减阻性能测试装置，其优点在于在于：

(1)外管-内芯模型的套管式测试流道设计：外管路采用80％透明PVE管，两端设有带内螺纹的塑料接头，内芯模型为不锈钢、铝合金、陶瓷、玻璃等材质的双支架的封闭空心管件，外管内径与内芯模型外径的比值处于2:1～5:4之间，提高了流体线速，同时使得减阻材料喷涂与去除方便；

(2)套管式测试流道的旁路设计及双水箱液位控制系统设计：

关闭第一阀门及第二阀门，打开第三阀门使得流体通过旁路管道，实现内芯模型快速更换，缩短减阻性能检测总操作时间；双水箱液位控制系统有效地维持液位高度的相对稳定，减少离心泵入口流体流动的影响，提高测试数据的精准度。